2. Epitaksial tyndfilmsvækst
Substratet danner et fysisk støttelag eller et ledende lag til Ga2O3-strømforsyninger. Det næste vigtige lag er kanallaget eller det epitaksiale lag, der bruges til spændingsmodstand og bærertransport. For at øge gennembrudsspændingen og minimere ledningsmodstanden er kontrollerbar tykkelse og doteringskoncentration samt optimal materialekvalitet nogle forudsætninger. Ga2O3 epitaksiale lag af høj kvalitet aflejres typisk ved hjælp af molekylærstråleepitaksi (MBE), metalorganisk kemisk dampaflejring (MOCVD), halogeniddampaflejring (HVPE), pulseret laseraflejring (PLD) og tåge-CVD-baserede aflejringsteknikker.
Tabel 2 Nogle repræsentative epitaksiale teknologier
2.1 MBE-metoden
MBE-teknologi er kendt for sin evne til at dyrke defektfri β-Ga2O3-film af høj kvalitet med kontrollerbar n-type doping på grund af dens ultrahøje vakuummiljø og høje materiales renhed. Som et resultat er den blevet en af de mest undersøgte og potentielt kommercialiserede β-Ga2O3-tyndfilmsaflejringsteknologier. Derudover har MBE-metoden også med succes fremstillet et tyndt filmlag af høj kvalitet med lav doping af heterostruktur β-(AlXGa1-X)2O3/Ga2O3. MBE kan overvåge overfladestruktur og morfologi i realtid med atomlagspræcision ved at bruge reflektionshøjenergielektrondiffraktion (RHEED). β-Ga2O3-film, der dyrkes ved hjælp af MBE-teknologi, står dog stadig over for mange udfordringer, såsom lav vækstrate og lille filmstørrelse. Undersøgelsen viste, at vækstraten var i størrelsesordenen (010)>(001)>(−201)>(100). Under let Ga-rige forhold på 650 til 750°C udviser β-Ga2O3 (010) optimal vækst med en glat overflade og høj vækstrate. Ved hjælp af denne metode blev β-Ga2O3 epitaksi opnået med en RMS-ruhed på 0,1 nm. β-Ga2O3 I et Ga-rigt miljø er vist MBE-film dyrket ved forskellige temperaturer i figuren. Novel Crystal Technology Inc. har med succes epitaksialt produceret 10 × 15 mm2 β-Ga2O3MBE-wafere. De leverer (010)-orienterede β-Ga2O3 enkeltkrystalsubstrater af høj kvalitet med en tykkelse på 500 μm og XRD FWHM under 150 buesekunder. Substratet er Sn-doteret eller Fe-doteret. Det Sn-dopede ledende substrat har en doteringskoncentration på 1E18 til 9E18cm⁻³, mens det jern-dopede halvisolerende substrat har en resistivitet højere end 10E10 Ω cm⁻¹.
2.2 MOCVD-metoden
MOCVD bruger metalorganiske forbindelser som precursormaterialer til at dyrke tynde film og opnår derved storstilet kommerciel produktion. Ved dyrkning af Ga₂O₃ ved hjælp af MOCVD-metoden anvendes trimethylgallium (TMGa), triethylgallium (TEGa) og Ga (dipentylglycolformiat) normalt som Ga-kilde, mens H₂O, O₂ eller N₂O anvendes som iltkilde. Vækst ved hjælp af denne metode kræver generelt høje temperaturer (>800 °C). Denne teknologi har potentiale til at opnå lav bærerkoncentration og elektronmobilitet ved høj og lav temperatur, så den er af stor betydning for realiseringen af højtydende β-Ga₂O₃-effektenheder. Sammenlignet med MBE-vækstmetoden har MOCVD den fordel, at den opnår meget høje vækstrater for β-Ga₂O₃-film på grund af egenskaberne ved højtemperaturvækst og kemiske reaktioner.
Figur 7 β-Ga2O3 (010) AFM-billede
Figur 8 β-Ga2O3 Forholdet mellem μ og plademodstand målt ved Hall og temperatur
2.3 HVPE-metoden
HVPE er en moden epitaksial teknologi og har været meget anvendt i epitaksial vækst af III-V-forbindelseshalvledere. HVPE er kendt for sine lave produktionsomkostninger, hurtige væksthastighed og høje filmtykkelse. Det skal bemærkes, at HVPEβ-Ga2O3 normalt udviser ru overflademorfologi og høj tæthed af overfladefejl og huller. Derfor kræves kemiske og mekaniske poleringsprocesser før fremstilling af enheden. HVPE-teknologi til β-Ga2O3-epitaksi bruger normalt gasformig GaCl og O2 som forstadier til at fremme højtemperaturreaktionen af (001) β-Ga2O3-matrixen. Figur 9 viser overfladetilstanden og væksthastigheden for den epitaksiale film som en funktion af temperaturen. I de senere år har Japans Novel Crystal Technology Inc. opnået betydelig kommerciel succes med HVPE homoepitaksial β-Ga2O3 med epitaksiale lagtykkelser på 5 til 10 μm og waferstørrelser på 2 og 4 tommer. Derudover er 20 μm tykke HVPE β-Ga2O3 homoepitaxiale wafere produceret af China Electronics Technology Group Corporation også gået ind i kommercialiseringsfasen.
Figur 9 HVPE-metode β-Ga2O3
2.4 PLD-metoden
PLD-teknologi bruges primært til at aflejre komplekse oxidfilm og heterostrukturer. Under PLD-vækstprocessen kobles fotonenergi til målmaterialet gennem elektronemissionsprocessen. I modsætning til MBE dannes PLD-kildepartikler ved laserstråling med ekstremt høj energi (>100 eV) og aflejres efterfølgende på et opvarmet substrat. Under ablationsprocessen vil nogle højenergipartikler dog direkte påvirke materialeoverfladen, hvilket skaber punktdefekter og dermed reducerer filmens kvalitet. I lighed med MBE-metoden kan RHEED bruges til at overvåge materialets overfladestruktur og morfologi i realtid under PLD β-Ga2O3-aflejringsprocessen, hvilket giver forskere mulighed for præcist at indhente vækstinformation. PLD-metoden forventes at kunne dyrke meget ledende β-Ga2O3-film, hvilket gør den til en optimeret ohmsk kontaktløsning i Ga2O3-strømforsyninger.
Figur 10 AFM-billede af Si-doteret Ga2O3
2.5 MIST-CVD-metoden
MIST-CVD er en relativt simpel og omkostningseffektiv tyndfilmsvækstteknologi. Denne CVD-metode involverer sprøjtning af en forstøvet precursor på et substrat for at opnå tyndfilmsaflejring. Indtil videre mangler Ga2O3 dyrket ved hjælp af tåge-CVD dog stadig gode elektriske egenskaber, hvilket giver meget plads til forbedring og optimering i fremtiden.
Udsendelsestidspunkt: 30. maj 2024